高用亮，熊小平曾東

(1.總裝某軍代室，山東 青島 266000;2.武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

新型布纜船船艉A型架吊放系統(tǒng)

高用亮1，熊小平2，曾東2

(1.總裝某軍代室，山東 青島 266000;2.武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

通過(guò)分析海纜敷設(shè)、打撈原理，歸納提出船艉A形架吊放系統(tǒng)的功能特性，并在此基礎(chǔ)上采用系統(tǒng)分析、仿真計(jì)算、引用借鑒等方法對(duì)門架結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)、滑動(dòng)架設(shè)計(jì)、電液同步控制、恒張力控制4大實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)進(jìn)行討論，最終實(shí)現(xiàn)了船艉A型架吊放設(shè)備的設(shè)計(jì)。

布纜船;吊放系統(tǒng);艉門架

我國(guó)海岸線漫長(zhǎng)，島嶼眾多，島嶼間的通信一般采用抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好、可靠性高的海底通信光纜。隨著信息化進(jìn)程加快，一批新型多功能布纜船開(kāi)始研發(fā)、建造。船艉A型架吊放系統(tǒng)作為光纜敷設(shè)、打撈的重要配套系統(tǒng)，主要用于海纜埋設(shè)機(jī)的起吊入水和回收工作，并為海纜敷設(shè)提供拖曳動(dòng)力。文中分析A型架吊放系統(tǒng)使用工況，闡述其設(shè)計(jì)思路，研究其結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)和設(shè)備控制技術(shù)，以期為同類產(chǎn)品研發(fā)提供參考。

1 吊放系統(tǒng)分析

1．1 海纜敷設(shè)、打撈工況簡(jiǎn)介

海纜的敷設(shè)、打撈是系統(tǒng)性工程，主要涵蓋門架吊放系統(tǒng)、海纜作業(yè)系統(tǒng)、海纜通道系統(tǒng)。海纜作業(yè)系統(tǒng)是核心，主要包括海纜埋設(shè)機(jī)、布撈纜機(jī)等8大設(shè)備。海纜敷設(shè)作業(yè)時(shí)，將電纜穿入埋設(shè)機(jī)放入海中進(jìn)行埋設(shè)作業(yè)，埋設(shè)機(jī)在海底開(kāi)溝埋設(shè)，海纜通過(guò)布纜機(jī)、海纜通道系統(tǒng)以一定的線速度隨埋設(shè)機(jī)入水。在此過(guò)程中，門架吊放系統(tǒng)負(fù)責(zé)埋設(shè)機(jī)的吊放入水和提供開(kāi)溝埋設(shè)的動(dòng)力。海纜打撈作業(yè)時(shí)，由探測(cè)儀依據(jù)布纜路徑記錄探測(cè)需打撈維修海纜的具體位置，控制布纜船行駛到附近海域下放打撈錨，沿垂直于海纜路徑方向以一定的初速度直接將海纜勾起。海纜出水后，由門架吊放系統(tǒng)將海纜移至甲板進(jìn)行維修、更換，而后將海纜進(jìn)行埋設(shè)遮蔽(淺水區(qū)，由人工或機(jī)器人埋設(shè);深海區(qū)，海纜直接裸露在海底。

1．2 門架吊放系統(tǒng)工作原理研究

老式布纜船門架吊放系統(tǒng)由艏吊架、艉吊架及絞車組成。艏吊架配電動(dòng)葫蘆和吊鉤一套，可平直伸出船艏進(jìn)行撈纜作業(yè)。艉吊架為液壓驅(qū)動(dòng)，由俯仰油缸帶動(dòng)門架進(jìn)行俯仰作業(yè)，并配電動(dòng)葫蘆一套，用于將埋設(shè)機(jī)吊放入水和回收。絞車為電力驅(qū)動(dòng)，主要為埋設(shè)機(jī)提供拖帶和起升動(dòng)力［1］。新型布纜船不同于老式布纜船，海纜敷設(shè)、打撈由原貫通艏艉作業(yè)方式變?yōu)榇杭凶鳂I(yè)方式。因此，門架吊放系統(tǒng)需將艏吊架、艉吊架、絞車功能進(jìn)行融合、優(yōu)化、統(tǒng)一，以完成埋設(shè)機(jī)的吊放入水和回收工作，并為海纜敷設(shè)作業(yè)提供拖曳動(dòng)力。因此，門架吊放系統(tǒng)應(yīng)具備如下主要功能。

1)埋設(shè)機(jī)與A型架對(duì)接。埋設(shè)機(jī)的吊放入水和回收工作是A型架的主要功能之一，如何保持埋設(shè)機(jī)在吊運(yùn)過(guò)程中的相對(duì)穩(wěn)定，是必須考慮的重點(diǎn)。需要設(shè)計(jì)一種連接機(jī)構(gòu)用以穩(wěn)定持續(xù)地保持兩者的連接。為防止埋設(shè)機(jī)吊離水面時(shí)的晃動(dòng)，A型架連接機(jī)構(gòu)需要在水面完成對(duì)接，因此連接機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度就必須足夠長(zhǎng)。考慮到埋設(shè)機(jī)出水位置的不確定性，連接機(jī)構(gòu)應(yīng)具備在吊架跨度范圍內(nèi)橫向移動(dòng)的功能，可以在回收埋設(shè)機(jī)時(shí)用于調(diào)整海纜的角度，方便纜繩入船艉纜繩槽。

2)低張力控制。門架吊放系統(tǒng)主要由拖纜絞車和A型架組成，兩者配合作業(yè)。當(dāng)A型架動(dòng)作時(shí)，拖纜絞車需要同步進(jìn)行控制收放繩以防止鋼絲繩張力過(guò)大損壞設(shè)備。因此，拖纜絞車需要具備低張力功能，即設(shè)定一個(gè)鋼絲繩張力值，該值通過(guò)傳感器讀取并反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)張力控制閥電流值控制系統(tǒng)輸出張力，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)保持鋼絲繩張力維持在一個(gè)特定的范圍［2-3］。

3)恒張力控制。根據(jù)海底地質(zhì)不同，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)拖曳張力以適應(yīng)埋設(shè)機(jī)的海底作業(yè)需求。當(dāng)鋼絲繩張力持續(xù)增大或拖纜絞車持續(xù)放繩時(shí)，說(shuō)明埋設(shè)機(jī)遇到無(wú)法跨越的障礙物，控制系統(tǒng)報(bào)警，反饋布纜船進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

4)執(zhí)行功能所需動(dòng)作。由于系統(tǒng)功能需要，門架吊放系統(tǒng)需要完成仰俯、滑動(dòng)、伸縮、擺動(dòng)等一系列復(fù)雜動(dòng)作，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型顯得尤為重要。鑒于液壓傳動(dòng)具備動(dòng)態(tài)性能好、反應(yīng)迅速、無(wú)間隙傳動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，故本系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，選用國(guó)內(nèi)技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定的油缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)以完成系統(tǒng)各動(dòng)作［4-5］。

分析上述功能需求，研究原門架吊放系統(tǒng)原理，結(jié)合國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，形成新型布纜船門架吊放系統(tǒng)設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖1、2)思路。

圖1 門架吊放系統(tǒng)組成示意

圖2 門架結(jié)構(gòu)示意

整套系統(tǒng)以液壓泵站作為動(dòng)力源，油缸為具體動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。A型架由兩根主油缸驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)甲板內(nèi)外的俯仰運(yùn)動(dòng);其橫梁上設(shè)計(jì)有滑動(dòng)架，滑動(dòng)架下方鉸接伸縮架，伸縮架連接埋設(shè)機(jī)，通過(guò)伸縮架的伸縮實(shí)現(xiàn)埋設(shè)機(jī)的上升下降功能;同時(shí)，滑動(dòng)架在油缸驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)埋設(shè)機(jī)在甲板內(nèi)的橫移功能，所有動(dòng)作通過(guò)油缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制。拖纜絞車為吊放及拖曳工況提供恒張力，保證埋設(shè)機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定性。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2．1 門架設(shè)計(jì)

A型架結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)負(fù)載的直接承載部件，在設(shè)計(jì)中必須嚴(yán)謹(jǐn)考慮，以可靠實(shí)現(xiàn)A型架的相關(guān)功能。首先，根據(jù)理論計(jì)算，初步確定A型架的結(jié)構(gòu)，如支腿、橫梁的截面形狀，板材厚度等;再進(jìn)行三維建模，充分考慮設(shè)備負(fù)載情況，借助多體動(dòng)力學(xué)及有限元方法仿真手段，進(jìn)一步論證設(shè)計(jì)的合理性，優(yōu)化相關(guān)部位，從而完成A型架結(jié)構(gòu)的定型設(shè)計(jì)。應(yīng)用有限元分析，對(duì)相關(guān)危險(xiǎn)工況下整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度校核。分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移、穩(wěn)定性、撓度變形等是否符合設(shè)計(jì)要求。本設(shè)備危險(xiǎn)工況為:主油缸完全伸出，伸縮油缸完全伸出，并受到最大負(fù)載作用。在最危險(xiǎn)工況下，油缸有可能無(wú)法提供足夠動(dòng)力將門架系統(tǒng)拉回到船內(nèi)。但考慮到此工況為瞬間工況，只要油缸具有2倍靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)余量，門架在2倍超載下不發(fā)生塑性變形即可滿足安全使用的要求。因此，門架及油缸設(shè)計(jì)均按照2倍安全余量進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2．2 滑動(dòng)架設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)需具備橫向移動(dòng)功能，因此在A型架橫梁上設(shè)置滑動(dòng)架。該結(jié)構(gòu)形式動(dòng)作精確、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、便于維護(hù)，能將移動(dòng)產(chǎn)生的晃動(dòng)降到最低，且在油缸作用下可輕易實(shí)現(xiàn)重載下的左右滑動(dòng)?；瑒?dòng)架的設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵的部位即擺動(dòng)油缸鉸點(diǎn)的設(shè)計(jì)及滑動(dòng)架內(nèi)部與橫梁接觸的導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)。若設(shè)計(jì)不當(dāng)，將導(dǎo)致擺動(dòng)油缸無(wú)法正常工作，同時(shí)滑動(dòng)架不能正常在橫梁上滑移。

2.2.1 滑動(dòng)架上擺動(dòng)油缸鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)

擺動(dòng)油缸的作用主要是在吊裝工況下減緩伸縮架的縱向擺動(dòng)，并在擱置工況下對(duì)伸縮架進(jìn)行鎖定，防止其縱向晃動(dòng)。作者以為設(shè)計(jì)油缸鉸點(diǎn)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)。

1)伸縮架擺動(dòng)到極限位置時(shí)，油缸兩個(gè)安裝鉸點(diǎn)距離相對(duì)于其極限距離的關(guān)系;

2)伸縮架擺動(dòng)到極限位置時(shí)，油缸中心線與滑動(dòng)架箱形梁間的最小距離，見(jiàn)圖3。

圖3 油缸中心線與滑動(dòng)架箱形梁間的最小距離

3)油缸力對(duì)伸縮架擺動(dòng)軸線的力臂大小。油缸鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是伸縮架耳板的中心高，此高度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致油缸行程不夠，高度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致油缸缸體與滑動(dòng)架相互干涉，因此首先找出滿足要求的中心高范圍。再在范圍內(nèi)選擇油缸力臂最大，兩端安全裕度角最大的點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中，即使伸縮架擺動(dòng)到極限位置，油缸仍有15°的余量角，以保證在風(fēng)浪作用下油缸的安全。

2.2.2 滑動(dòng)架內(nèi)部導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

滑動(dòng)架受力的主要特性在于，其橫行移動(dòng)的作用力平行于各軌道所在直線，并且橫向力作用線與滑動(dòng)架幾何形心軸線之間存在一定的距離，見(jiàn)圖4。

圖4 滑動(dòng)架力系自鎖條件

根據(jù)圖中滑動(dòng)架力系構(gòu)成特點(diǎn)，如果由于其他外界因素造成如圖所示的對(duì)角接觸狀態(tài)，即圖中滑動(dòng)架兩端受力點(diǎn)A和B處于對(duì)角位置，則點(diǎn)A和B處的約束反力與水平力主動(dòng)力Fx存在發(fā)生自鎖的可能性。發(fā)生自鎖的條件為水平力Fx的作用線進(jìn)入圖中的自鎖區(qū)域。圖4中φ為摩擦角，h為導(dǎo)軌間距，H為力Fx作用線到滑動(dòng)架中軸線的距離，L為滑動(dòng)架兩端導(dǎo)軌反力作用點(diǎn)的水平距離(沿滑動(dòng)方向的投影距離)。根據(jù)圖中的幾何關(guān)系，得出避免發(fā)生自鎖的條件為L(zhǎng)≥2Htan φ。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)油缸力作為單一主動(dòng)力時(shí)，由于兩端滑軌反力間距只需要大于78.2 mm，因此其單獨(dú)發(fā)生自鎖的可能性比較小。而當(dāng)埋設(shè)機(jī)慣性力(平行于導(dǎo)軌的慣性力及重力的分力)作為主動(dòng)力時(shí)，由于埋設(shè)機(jī)質(zhì)心與導(dǎo)軌直線的距離H較大，且門架的偏斜進(jìn)一步加大了等效摩擦系數(shù)的值，因此避免自鎖所需的兩端滑軌反力間距L較大。在實(shí)際操縱中，油缸力與埋設(shè)機(jī)慣性力是同時(shí)作用于滑動(dòng)架的，當(dāng)埋設(shè)機(jī)慣性力所形成的力系發(fā)生自鎖時(shí)，通過(guò)油缸力作用可以使其解鎖。理論計(jì)算及分析只能計(jì)算出理論值，可能與實(shí)際情況有一定出入，比如滑塊的擠壓變形及橫梁的撓度值在理論計(jì)算中是被忽略的。通過(guò)仿真手段可對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證并作出適當(dāng)調(diào)整，以最終確定滑塊長(zhǎng)度。

2．3 電液同步控制技術(shù)

A型架俯仰動(dòng)作時(shí)，由于滑動(dòng)架可沿著橫梁移動(dòng)，負(fù)載不可能時(shí)刻在橫梁正中間保持兩缸受力平衡，存在著偏載。因此需要考慮如何使兩油缸在受力不同的情況下可靠同步，以達(dá)到同步控制的要求。為保證液壓同步馬達(dá)正常工作，在其出口配置有限壓閥和補(bǔ)油控制單向閥。兩油缸運(yùn)動(dòng)時(shí)，若某一油缸運(yùn)動(dòng)到位或卡死，必然產(chǎn)生“憋壓”或“吸空”現(xiàn)象。為防止這種現(xiàn)象，限壓閥將按調(diào)定好的壓力值過(guò)載保護(hù);而“吸空”時(shí)，補(bǔ)油單向閥會(huì)開(kāi)啟，防止吸空產(chǎn)生的氣蝕危害。

2．4 恒張力控制技術(shù)

拖纜絞車在配合A型架的吊運(yùn)工作及其拖曳作業(yè)時(shí)，拖纜絞車均需維持鋼絲繩的一定張力，而根據(jù)不同工況需求，其張力值應(yīng)方便無(wú)級(jí)可調(diào)。如圖5所示，可通過(guò)液壓元器件的合理搭配使用，實(shí)現(xiàn)拖纜絞車的無(wú)級(jí)調(diào)級(jí)恒張力控制功能［6］。

圖5 恒張力控制液壓原理示意

當(dāng)液壓油從A口進(jìn)入時(shí)，液壓馬達(dá)有相應(yīng)收繩動(dòng)作，當(dāng)負(fù)載在其承載范圍內(nèi)改變時(shí)，通過(guò)對(duì)輸入先導(dǎo)比例溢流DT1的比例電流信號(hào)的控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溢流閥的溢流壓力的比例控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓馬達(dá)的輸出負(fù)荷(轉(zhuǎn)矩)的限制和調(diào)節(jié)，從而改變拖纜絞車的主動(dòng)收繩工作能力，實(shí)現(xiàn)不同張力值情況下主動(dòng)收繩時(shí)的恒定張力值;同時(shí)，當(dāng)B口進(jìn)油時(shí)，液壓馬達(dá)有相應(yīng)的放繩動(dòng)作，由于回油路上設(shè)置有平衡閥，產(chǎn)生一定的背壓，從而保證放繩速度的穩(wěn)定性不受負(fù)載變化的影響，保證操作的安全性［7］。

3 結(jié)束語(yǔ)

船艉A型架吊放系統(tǒng)是新型布纜船海纜敷設(shè)、打撈的重要配套設(shè)備，由于其系統(tǒng)復(fù)雜，專業(yè)領(lǐng)域跨度大，設(shè)計(jì)制造一直被國(guó)外公司壟斷［8］。通過(guò)作者所在科研團(tuán)隊(duì)的努力，國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)制造的船艉A型架吊放系統(tǒng)已經(jīng)成功裝船應(yīng)用，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到預(yù)期。該系統(tǒng)的成功研發(fā)，必將對(duì)海工裝備尤其是起重及收放設(shè)備發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。

在船艉A型架吊放系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，下一步應(yīng)針對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化控制開(kāi)展研究，在保證足夠安全的情況下，設(shè)計(jì)出合理的自動(dòng)化程序，簡(jiǎn)化操作流程，提高自動(dòng)化水平。

［1］張浩立，鄧智勇，宋誠(chéng)，等.一種新型集成式潛水器吊放回收系統(tǒng)的研制［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2010，32 (7):117-120.

［2］鄢華林，周超，姜飛龍，等.收放系統(tǒng)恒張力研究［J］.機(jī)床與液壓，2012，40(17):44-45.

［3］李晨浩.李偉.系泊絞車變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.船舶，2005(2):48-52.

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Research on Launch Retrieval Apparatus of a Late-model Cable Layer

GAO Yong-liang1，XIONG Xiao-ping2，ZENG Dong2
(1.Military Representative Office in Qingdao，Qingdao Shandong 266000，China; 2.Wuhan Marine Machinery Plant Co.Ltd，Wuhan 430084，China)

The function features of launch retrieval apparatus system are summarized through detailed analysis of the cablelaying and retrieving principle.The methods of system analysis，simulation calculation，reference and citation are applied to process a detailed research of the design difficulties for the cable layer，including the design of frame crane and the slip shelf，as well as the electro-hydraulic synchronization control and the constant tension control system，so that the launch retrieval apparatus is designed autonomously.

cable layer;launch retrieval apparatus;A frame crane

U674.34

A

1671-7953(2015)02-0074-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.020

2014-10-04

修回日期:2014-12-19

國(guó)防科研項(xiàng)目:某型艇艉錨機(jī)改進(jìn)研究、研制(ZLA12120)

高用亮(1983-)，男，碩士，工程師

研究方向:船舶設(shè)計(jì)

E-mail:qdgyl@sina.cn